Очищення газів у фільтрах

У основі роботи пористих фільтрів всіх видів лежить процес фільтрації газу через пористу перетинку, в ході якого тверді частки ч затримуються, а газ повністю проходить крізь неї. Фільтрувальні перетинки дуже різноманітні за своєю структурою, але в основному вони складаються з волокнистих або зернистих елементів і умовно підрозділяються на наступні типи:

гнучкі пористі перетинки – тканинні матеріали з природних, синтетичних або мінеральних волокон; неткані волокнисті матеріали (войлоки, папір, картон, волокнисті мати); комірчасті листи (губчаста гума, пінополіуретан, мембранні фільтри);

напівжорсткі пористі перетинки – шари волокон, стружка, в'язані сітки, розташовані на опорних пристроях або затиснуті між ними;

жорсткі пористі перетинки – зернисті матеріали (пориста кераміка або пластмаса, спечені або пресовані порошки металів, пористе скло, вуглеграфітові матеріали і ін.); волокнисті матеріали (сформовані шари зі скляних і металевих волокон); металеві сітки і перфоровані листи.

В процесі очищення запиленого газу частинки наближаються до волокон або до поверхні зерен матеріалу, стикаються з ними і осідають головним чином в результаті дії сил дифузії, інерції і електростатичного тяжіння.

Проходячи через фільтрувальну перетинку, потік розділяється на тонкі цівки, що безперервно відокремлюються і змикаються. Частки, володіючи інерцією, прагнуть переміщатися прямолінійно, стикаються з волокнами, зернами і утримуються ними. Такий механізм характерний для захоплення крупних частинок і виявляється сильніше при збільшенні швидкості фільтрування. Електростатичний механізм захоплення порошинок виявляється у тому випадку, коли волокна несуть заряди або поляризовані зовнішнім електричним полем.

У фільтрах уловлені частки накопичуються в порах або утворюють пиловий шар на поверхні перетинки, і, таким чином, самі стають частиною фільтрувального середовища. По мірі накопичення пилу пористість перегородки зменшується, а опір зростає. Тому виникає необхідність видалення пилу і регенерації фільтру.

Залежно від призначення і величини вхідної і вихідної концентрації фільтри умовно розділяють на три класи:

фільтри тонкого очищення (високоефективні або абсолютні фільтри) – призначені для уловлювання з дуже високою ефек­тивністю (> 99%) в основному субмікронних частинок з проми­слових газів з низькою вхідною концентрацією (<1 мг/м³) і швидкістю фільтрування <10 см/с. Фільтри застосовують для уловлювання особливо токсичних частинок, а також для ультра­тонкого очищення повітря при проведенні деяких технологічних процесів. Вони не піддаються регенерації;

повітряні фільтри – використовують в системах припливної вентиляції і кондиціонування повітря. Працюють при концентрації пилу менше 50 мг/м³, при високій швидкості фільтрації – до
2,5-3 м/с. Фільтри можуть бути нерегенеровані і регенеровані;

промислові фільтри (тканинні, зернисті, грубоволокнисті) – застосовуються для очищення промислових газів концентрацією до 60 г/м³. Фільтри регенеруються.

Тканинні фільтри.Ці фільтри мають найбільше розпов­сюдження. Можливості їх використання розширюються у зв'язку із створенням нових температуростійких і стійких до дії агресивних газів тканин. Найбільше розповсюдження мають рукавні фільтри.

Корпусом фільтру є металева шафа, розділена вертикальними перегородками на секції, в кожній з яких розміщена група фільтруючих рукавів. Верхні кінці рукавів заглушені і підвішені до рами, сполученої із струшуючим механізмом. Внизу є бункер для пилу зі шнеком для його вивантаження. Струшування рукавів в кожній з секцій проводиться по черзі.

У тканинних фільтрах застосовують фільтрувальний матеріали двох типів: звичайні тканини, що виготовляються на ткацьких верстатах, і войлок, що отримується шляхом звалювання або механічного переплутування волокон голкопробивним методом. У типових фільтрувальних тканинах розмір різних пор між нитками досягає 100-200 мкм.

До тканин пред'являються наступні вимоги: 1) висока пилоємність при фільтрації і здатність утримувати після регенерації таку кількість пилу, яка достатня для забезпечення високої ефективності очищення газів від тонкодисперсних твердих часток; 2) збереження оптимально високої повітропроникності в рівноважно запиленому стані; 3) висока механічна міцність і стійкість до стирання при багаторазовому згинанні, стабільність розмірів і властивостей при підвищеній температурі і агресивній дії хімічних домішок, що знаходяться в сухих і насичених вологою газах; 4) здатність до легкого видалення накопиченого пилу; 5) низька вартість.

Існуючі матеріали володіють не всіма вказаними власти­востями і їх вибирають залежно від конкретних умов очищення. Наприклад, бавовняні тканини мають гарні фільтрувальні власти­вості і низьку вартість, але володіють недостатньою хімічною і термічною стійкістю, високою горючістю і вологоємністю. Шерстяні тканини характеризуються великою повітропроникністю, забезпечують надійне очищення і регенерацію, але їх стійкість до кислих газів, особливо до SО₂ і туману сірчаної кислоти, низька. Вартість їх вище, ніж бавовняних. При тривалій дії високої температури волокна стають крихкими. Працюють при температурі газів до 90°С.

Синтетичні тканини витісняють матеріали з бавовни і шерсті завдяки вищій міцності, стійкості до підвищених температур і агресивних впливів, нижчій вартості. Серед них нітронові тканини, які використовують при температурі 120-130°С в хімічній проми­словості і кольоровій металургії. Лавсанові тканини викори­сто­вуються для очищення гарячих сухих газів в цементній, металургійній і хімічній промисловостях. У кислих середовищах стійкість їх висока, в лужних - різко знижується.

Скляні тканини стійкі при 150-350°С. Їх виготовляють з алюмоборосилікатного безлужного або магнезійного скла.

Аеродинамічні властивості чистих фільтрувальних тканин характеризуються повітропроникністю – витратою повітря при певному перепаді тиску Δр_т зазвичай рівному 49 Па. Повітро­проникність виражається в м³/(м²·хв); чисельно вона дорівнює швид­кості фільтрації (у м/хв) при Δр_т= 49 Па. Опір незапилених тканин Δр_т при навантаженнях 0,3-2 м³/(м²·хв) зазвичай складає 5-40 Па.

Зі збільшенням запилення аеродинамічний опір тканини зростає, а витрата газу через фільтр зменшується. Тканину регенерують шляхом продування у зворотному напрямі, технічного струшування або іншими методами. Після декількох циклів фильтрації-регенерації залишкова кількість пилу в тканині стабі­лізується; вона відповідає так званому рівноважному пиловмісту тканини у кг/м² і залишковому опору рівноважно запиленої тканини Δр. Значення цих величин залежать від типу фільтрувального матеріалу, розмірів і властивостей пилових частинок, відносної вологості газів, методу регенерації і інших чинників.

За практичними даними, залишкова концентрація пилу після тканинних фільтрів складає 10-50 мг/м³.

Волокнисті фільтри. Фільтруючий елемент цих фільтрів складається з одного або декількох шарів, в яких однорідно розподілені волокна. Це фільтри об'ємної дії, оскільки вони розраховані на уловлювання і накопичення частинок переважно по всій глибині шару. Суцільний шар пилу утворюється тільки на поверхні найбільш щільних матеріалів. Для фільтрів вико­ристовують природні або спеціально отримані волокна завтовшки від 0,01 до 100 мкм. Товщина фільтрувальних середовищ складає від десятих часток міліметра (папір) до 2 м (багатошарові глибокі фільтри насадок довготривалого використання). Такі фільтри використовують при концентрації дисперсної твердої фази 0,5-5 мг/м³ і лише деякі грубоволокнисті фільтри застосовують при концентрації 5-50 мг/м³. При таких концентраціях основна маса частинок має розміри менше 5-10 мкм.

Розрізняють наступні види промислових волокнистих фільтрів: 1) сухі – тонковолокнисті, електростатичні, глибокі, фільтри попереднього очищення; 2) мокрі – сіткові, що самоочищаються, із періодичним або безперервним зрошуванням.

Процес фільтрації у волокнистих фільтрах складається з двох стадій. На першій стадії (стаціонарна фільтрація) уловлені частинки практично не змінюють структури фільтру з часом, на другій стадії процесу (нестаціонарна фільтрація) у фільтрі відбуваються безпе­рервні структурні зміни унаслідок накопичення уловлених частинок в значних кількостях. Відповідно до цього весь час змінюються ефективність очищення і опір фільтру. Теорія фільтрування в таких фільтрах ще недостатньо розроблена.

Волокнисті фільтри тонкого очищення. Використовуються в атомній енергетиці, радіоелектроніці, точному приладобудуванні, промисловій мікробіології, в хіміко-фармацевтичній і інших галузях. Фільтри дозволяють очищати великі об'єми газів від твердих части­нок всіх розмірів, включаючи субмікронні. Їх широко застосовують для очищення радіоактивних аерозолів. Для очищення на 99% (для частинок 0,05-0,5 мкм) застосовують матеріали у вигляді тонких листів або об'ємних шарів з тонких або ультратонких волокон (діаметр менше 2 мкм). Швидкість фільтрації в них складає 0,01-0,15 м/с, опір чистих фільтрів не перевищує 200-300 Па, а забитих пилом фільтрів 700-1500 Па. Уловлювання частинок у фільтрах тонкого очищення відбувається за рахунок броунівської дифузії і ефекту торкання.

Регенерація відпрацьованих фільтрів неефективна або неможлива. Вони призначені для роботи на тривалий термін (0,5-3 роки). Після цього фільтр замінюють на новий. Зі збільшенням концентрації пилу на вході >0,5 мг/м³ термін служби значно скорочується.

Широко поширені фільтруючі матеріали типу ФП (фільтри Петрянова) з полімерних смол. Це шари синтетичних волокон діаметром 1-2,5 мкм, нанесені на марлеву підкладку (основу), яка складається з товщих волокон скріплених між собою. Як полімери для ФП використовують перхлорвініл (ФПП) і диацетатцелюлозу (ФПА), хоча можливе застосування інших матеріалів. Перхлор­вінілові волокна характеризуються гідрофобністю і високою хімічною стійкістю в кислотах, лугах і розчинах солей. Але вони не стійкі проти масел і розчинників, а також не термостійкі (до 60 °С). Ацетатні волокна – гідрофільні, недостатньо стійкі до кислот і лугів, але термостійкість їх досягає 150 °С.

Матеріал ФП характеризується високими фільтрувальними властивостями. Товщина шарів ФП (0,2-1 мм) дає можливість отри­мати поверхню фільтрації 100-150 м² на 1 м³ апарату. Пилеємкість матеріалів ФП (50-100 г/м²) вище, ніж азбестоцелюлозних картонів і скловолокнистих паперів.

Оптимальна конструкція фільтрів тонкого очищення повинна відповідати наступним основним вимогам: найбільша поверхня фільтрації при найменших габаритах, мінімальний опір, можливість зручного і швидкого монтажу, надійна герметичність групової збірки окремих фільтрів. Цим вимогам відповідають рамні фільтри (рис. 2.7,а). Фільтрувальний матеріал у вигляді стрічки вкладають між П-подібними рамками, що чергуються при збірці пакету, відкритими і закритими сторонами в протилежних напрямах. Між сусідніми шарами матеріалу встановлюють гофровані розділювачі, щоб не допустити примикання їх один до одного. Матеріал для рамок: фанера, вініпласт, алюміній, неіржавіюча сталь. Забруднені гази поступають в одну з відкритих сторін фільтру, проходять через матеріал і виходять з протилежного боку.

Фільтри марки Д-КЛ (рис. 2.7,б) є набором суцільно­штампованих гофрованих рамок-розділювачів із вініпластової плівки, між якими укладається фільтрувальний матеріал. Рамки мають форму клинів і встановлені з чергуванням відкритих і закритих сторін в протилежних напрямах.

Розроблені скловолокнисті фільтри тонкого і грубого очищення продуктивністю від 200 до 1500 м³/год з опором від 200 до 1000 Па.

Двоступінчаті або комбіновані фільтри (рис. 2.7, в). У одному корпусі розміщують фільтри грубого очищення з набивного шару лавсанових волокон завтовшки 100 мм і фільтр тонкого очищення з матеріалу ФП.

Глибокі фільтри. Це багатошарові фільтри. Використовуються для очищення вентиляційного повітря і технологічного газу від радіоактивних частинок. Багатошарові фільтри розраховані на роботу протягом 10-20 років. Після цього їх захоронюють з цементуванням.

Рисунок 2.7 – Фільтр тонкого очищення

а – рамний: 1 – П-подібна планка; 2 – бокова стінка; 3 – філь­т­ру­ючий матеріал; 4 – розділювач; б – з сепараторами клиновидної форми типу Д-КЛ: 1 – фільтру­ючий матеріал; 2 – рамка-сепаратор клиновидної форми; в – комбін­ований: 1 – секція з набивним шаром із волокон; 2 – секція тонкого очищення.

Зернисті фільтри. Застосовуються для очищення газів рідше, ніж волокнисті фільтри. Переваги зернистих фільтрів: доступність матеріалу, можливість працювати при високих температурах і в умовах агресивного середовища, витримувати великі механічні навантаження і перепади тиску, а також різкі зміни температури. Розрізняють зернисті фільтри насадкові і жорсткі.

Насадкові (насипні) фільтри. У таких фільтрах елементи, що вловлюють (гранули, шматки і т д.) не зв'язані один з одним. До них відносяться: статичні (нерухомі) шарові фільтри; динамічні (рухомі) шарові фільтри з гравітаційним переміщенням сипучого середовища; псевдозріджені шари. У насипних фільтрах як насадка використовується пісок, галька, шлак, роздроблені гірські породи, деревна тирса, крихта гуми, пластмаси, графіт і ін. Вибір матеріалу залежить від необхідної термічної і хімічної стійкості, механічної міцності і доступності.

З накопиченням пилу в порах насадки ефективність вловлювання зростає. При збільшенні опору до межі проводять розпушування шару. Після декількох циклів розпушування насадку промивають або замінюють.

Фільтри мають насадку з розміром зерен 0,2-2 мм. Повітря направляється зверху вниз. При концентрації пилу на вході у фільтр 1-20 мг/м³ витрата повітря складає 2,5-17,0 м³/(м²·хв); початковий опір від 50 до 200 Па. Висота шару на сітках знаходиться в межах від 0,1 до 0,15 м.

Є зернисті фільтри, що регенеруються шляхом ворушіння або вібраційного струшування зернистого шару усередині апарату, а також фільтри з рухомим середовищем (рис. 2.8). Матеріал переміщається між сітками або жалюзійними ґратами. Регенерацію матеріалу від пилу проводять в окремому апараті шляхом гро­хочення або промивки. Якщо фільтруюче середовище скла­дається з того ж матеріалу, що і пил, то забруднені гранули виводять з системи і використовують в технологічному процесі.

Рисунок 2.8 – Фільтр з рухомим шаром зернистого матеріалу

1 – короб для подачі свіжого зернистого матеріалу; 2 – при­строї для живлення; 3 – фільтруючий шар; 4 – затвори; 5 – короб для відведення зернистого матеріалу.

Зернисті жорсткі фільтри. У цих фільтрах зерна міцно зв'язані один з одним в результаті спікання, пресування або склеювання і утворюють міцну нерухому систему. До них відносяться пориста кераміка, пористі метали, пористі пластмаси. Фільтри стійкі до високої температури, корозії і механічних навантажень і застосовуються для фільтрування стиснених газів. Недоліки таких фільтрів: висока вартість, великий гідравлічний опір і труднощі регенерації, яку проводять чотирма способами: 1) продуванням повітрям у зворотному напрямі; 2) пропусканням рідких розчинів у зворотному напрямі; 3) пропусканням гарячої пари; 4) простукуванням або вібрацією трубних ґрат з елементами.